于曉麗 李仰歡 李玉娟

摘要：汽車雨刷器是雨天安全行駛的首要保障，鑒于此，針對某一汽車前窗尺寸，結(jié)合雨刷器的基本構(gòu)造及運行原理，對汽車雨刷器各部分構(gòu)件進行尺寸設(shè)計計算，并在SolidWorks建模環(huán)境中得到虛擬樣機，借助SolidWorks中的Motion模塊完成運動仿真，經(jīng)運行模擬，兩個雨刷器之間無運動干涉，證實結(jié)構(gòu)具備合理性，能夠滿足雨天行車要求，且雨刮片質(zhì)心速度運動曲線、質(zhì)心加速度運動曲線、質(zhì)心角速度運動曲線、質(zhì)心角加速度運動曲線呈現(xiàn)周期變化。

關(guān)鍵詞：汽車雨刷器；三維模型；運動仿真；周期變化

中圖分類號：TH122? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.008

0? ? 引言

Mary Anderson于1903年發(fā)明了手動雨刷器，并不斷改進完善，注冊了專利；1962年，Robert Kearns根據(jù)人的生理特征發(fā)明了電動間歇雨刷器，即眨眼雨刷，并與福特汽車展開了歷時33年的維權(quán)之爭，最終勝訴。如今，沈陽工業(yè)大學(xué)的金映麗等人[1]利用Matlab中的SimMechanics模塊對雨刷器進行了運動仿真，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改善提供參考；王昕燦等人[2]優(yōu)化了雨刷器結(jié)構(gòu)，擴大了雨刮面積，并利用ADAMS完成了運動仿真。雨刷器自始至終服務(wù)于廣大駕駛者，而雨刷器的結(jié)構(gòu)及性能能從根本上影響行車安全，所以，致力于雨刷器結(jié)構(gòu)的設(shè)計與完善具有現(xiàn)實意義。

SolidWorks作為一款三維建模軟件，因具備操作簡易、功能強大的優(yōu)勢在工業(yè)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用[3]，其內(nèi)置模塊Motion能夠?qū)C構(gòu)運動進行仿真[4-6]。雨刷器總成由雨刷電機、減速器、鉸鏈四桿機構(gòu)、雨刮臂及雨刮片等組成[7]，本文基于SolidWorks對汽車雨刷器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動仿真，為工程實踐與應(yīng)用提供相應(yīng)的理論參考。

1? ? 雨刷器結(jié)構(gòu)設(shè)計及三維建模

1.1? ? 設(shè)計要求

對某型號汽車的車窗尺寸進行測量，為140 cm×75 cm，該尺寸在汽車領(lǐng)域較為普遍，具有一定的設(shè)計研究意義。雨刷器運動應(yīng)平穩(wěn)、不卡頓，具有一定周期性，且為保證駕駛員清晰的視野范圍，國家發(fā)布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是從駕駛員位置和視角考慮的，前車窗玻璃上擦凈的區(qū)域A、B分別為98%、80%[8]，具體如圖1所示。

雨刮片目前已標(biāo)準(zhǔn)化，考慮到互換性與更換便捷性的因素，雨刷器尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)雨刮片。

在雨刷器掛刷的一個周期內(nèi)，起刮前，雨量較大，應(yīng)保證較高的雨刷速度，保持駕駛員前方視野明朗；回刮時，雨量較小，可適當(dāng)降低雨刷器速度，進一步刮凈雨水，需設(shè)置急回運動滿足要求，且急回運動能保證較高的工作效率[9]。

1.2? ? 尺寸綜合及三維建模

為便于控制雨刷器轉(zhuǎn)速，雨刷器采用雨刷電機驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)原理為雨刷電機經(jīng)蝸輪蝸桿減速器，利用連桿將運動傳遞給刮臂，故選用曲柄搖桿機構(gòu)，需滿足桿長條件，即最短桿與最長桿之和小于等于其余兩桿，且最短桿為連架桿[10]。根據(jù)玻璃尺寸，設(shè)定曲柄搖桿機構(gòu)機架的長度為210 mm，為保證較大的掛刷角，且使其具備急回特性，得到曲柄搖桿機構(gòu)的兩極限位置，其中曲柄長68 mm，連桿280 mm，搖桿150 mm，如圖2所示。

如圖2所示，極位夾角為機構(gòu)處于兩個極限位置時曲柄之間的夾角，根據(jù)余弦定理求極位夾角θ為：

行程速比系數(shù)為：

根據(jù)正弦定理可知，擺角Ψ=85°＞80°。根據(jù)上述計算，該尺寸下的雨刷器具備急回特性，且擺角達到85°，掛刷面積較大，尺寸的設(shè)計與選定具備合理性。

對于雨刮臂尺寸的確定，為滿足互換性要求，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)雨刮臂，雨刮臂標(biāo)準(zhǔn)尺寸有250、280、330、350、380、400、425、450、475、500、530、550、560、600、630、650、670、700 mm。前車窗寬度750 cm，預(yù)留雨刮片的尺寸，選定兩雨刮臂的尺寸為400 mm與500 mm。最終根據(jù)雨刮臂及車窗的尺寸，參照相應(yīng)的國標(biāo)，選定雨刮片為14 in（35 cm）與26 in（65 cm），分別對應(yīng)副駕與主駕駛員的視野。

雨刷器分為對刮與順刮，鑒于人機工程考慮，且為保證兩雨刷器能協(xié)調(diào)運動，充分保障主駕駛員的視線，本文采用順刮方式，通過平行四邊形機構(gòu)控制兩雨刷器同步運動。前車窗長為140 cm，為避免機構(gòu)與車體發(fā)生沖撞，平行四邊形右鉸鏈與玻璃右側(cè)留有50 mm余量，并設(shè)定兩機架之間的長度為650 mm。雨刷電機選用永磁直流電機，便于實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。綜合上述尺寸及結(jié)構(gòu)，基于三維建模軟件在SolidWorks中得到雨刷器結(jié)構(gòu)簡圖，如圖3所示。

2? ? 運動仿真及結(jié)果分析

2.1? ? 模型的導(dǎo)入及計算過程

Motion作為SolidWorks的一個高性能內(nèi)部插件，具有簡化約束過程的優(yōu)勢，能夠?qū)?fù)雜機械系統(tǒng)進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真，從而得知其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是否會發(fā)生干涉，并可得到相應(yīng)的速度曲線、加速度曲線、角速度曲線等輸出，以便進行更深入的記錄與分析，為研究人員進行結(jié)構(gòu)改善與優(yōu)化提供有力參考[6]。本文借助SolidWorks Motion完成運動仿真及數(shù)據(jù)輸出的整體過程，如圖4所示。

2.2? ? 曲線生成與分析

在SolidWorks Motion運動仿真插件中，減速器減速比設(shè)定58，設(shè)置三組（低、中、高）不同轉(zhuǎn)速進行運動仿真，得到對應(yīng)的動畫展示，運動過程中無卡澀、振動現(xiàn)象，兩雨刷器未發(fā)生運動干涉，滿足基本的運動要求。選擇其中一組轉(zhuǎn)速（雨刷電機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min）為研究工況，得到對應(yīng)的質(zhì)心速度曲線、質(zhì)心加速度曲線、質(zhì)心角速度曲線、質(zhì)心角加速度曲線進行分析。

如圖5所示，選擇左右雨刷器質(zhì)心速度曲線進行比較分析發(fā)現(xiàn)，整體上兩者曲線趨勢相同，步調(diào)一致，協(xié)調(diào)性較好，掛刷一周的周期T=2.5 s，能夠?qū)^大的雨量進行掛刷，保證視野清晰。但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中刮臂和刮片的尺寸差異，質(zhì)心處于雨刷器的不同位置，故質(zhì)心線性速度并不相同。

在以上結(jié)論的基礎(chǔ)上，針對左雨刷器的質(zhì)心速度、加速度、角速度、角加速度進行分析，如圖6所示。圖6（a）為左雨刷器線性速度曲線，起刮最大線性速度達1.5 m/s，回刮最大線性速度0.76 m/s，起刮階段速度整體高于回刮階段，具備急回特性；圖6（b）為左雨刷器線性加速度曲線，最大加速度約達到10 m/s2，且存在加速度尖點，對雨刷器結(jié)構(gòu)提出了更高的強度要求；圖6（c）為左雨刷器角速度曲線，其曲線輪廓與線速度曲線相似，起刮最大角速度達175（°）/s，回刮最大角速度90（°）/s，同樣具有急回特性；圖6（d）為左雨刷器角加速度曲線，加速度變化較大，存在加速度尖點，受力情況較差，在設(shè)計優(yōu)化中應(yīng)將其考慮在內(nèi)。

3? ? 結(jié)語

目前，汽車雨刷器是保障駕駛員視野較為有效的手段與方法，而汽車雨刷器的結(jié)構(gòu)關(guān)乎其性能及交通安全。

本文針對某種較為普遍的汽車前車窗尺寸，提出一種設(shè)計思路與方法，基于SolidWorks軟件環(huán)境，結(jié)合曲柄搖桿機構(gòu)與平行四邊行結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建模，并借助SolidWorks內(nèi)高性能插件Motion完成相應(yīng)的運動仿真，得到各速度曲線，證實雨刷器同步運動，呈現(xiàn)周期性，無相互干涉，但存在線性加速度與角加速度尖點，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向與參考。

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[10] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

收稿日期：2023-02-28

作者簡介：于曉麗（1991—），女，山東齊河人，助教，研究方向：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。